Viabilidad técnico-económica de la cogeneración para el sector residencial en España a partir de biomasa mediante ciclo de rankine orgánico

Abstract

La tecnología de los ciclos de Rankine orgánicos (ORC) está presente mundialmente, existiendo en la actualidad numerosos fabricantes que disponen de equipos comerciales para distintas aplicaciones. El número de plantas de cogeneración a partir de biomasa con ciclo ORC en operación en Europa supera las 300, con una presencia significativa en los países de Europa Central pero escasa en España. A lo largo de esta Tesis se analiza la viabilidad técnica y económica de una planta de cogeneración mediante ciclo de Rankine orgánico y caldera de biomasa, procedente de residuos agrícolas o forestales locales, instalada en poblaciones rurales de la España peninsular con red de distrito existente. En la primera fase se ha analizado la viabilidad técnica del ciclo comparando los resultados de rendimiento y ahorro de energía primaria en ciclos ORC básicos o con regeneración y procesos subcríticos y supercríticos, y la viabilidad económica según tamaño de planta y horas de operación. Para llevar a cabo el trabajo se ha realizado un análisis sobre el comportamiento de varios fluidos orgánicos comerciales en las distintas configuraciones para definir el ciclo óptimo en carga completa y modo cogeneración. El cálculo de la demanda térmica para el correcto dimensionamiento de la planta se ha llevado a cabo mediante el desarrollo de una metodología propia a partir de las pautas indicadas por el Código Técnico de la Edificación y documentos publicados por el IDAE en función de las zonas climáticas utilizando datos de grados-día y radiación. Se ha incorporado al estudio la disponibilidad de biomasa local y el precio real de la misma procedente de residuos agrícolas y forestales cercanos a las posibles ubicaciones de las plantas. Para evaluar los recursos, así como los gastos de recolección y transporte de biomasa residual, agrícola y forestal, se ha hecho uso de la herramienta BIORAISE. El estudio se completa con el análisis de rentabilidad a carga completa y a carga parcial de la planta con el fin de ampliar las horas de funcionamiento, tanto en modo cogeneración (producción de calor y electricidad), como en modo trigeneración (producción de calor, refrigeración y electricidad). Los resultados muestran que los ciclos ORC con combustión de biomasa procedente de residuos forestales o agrícolas, son viables en modo cogeneración, sin subvenciones ni subsidios, en poblaciones de más de 15.000 habitantes en zonas climáticas con inviernos fríos (alta demanda de calefacción). En dichas localidades, la rentabilidad de la planta supera el 10%. La operación en modo trigeneración, solo es rentable en poblaciones con veranos calurosos (alta demanda de refrigeración). Desde el punto de vista medioambiental, en modo cogeneración, el “ahorro de energía primaria” obtenido en todas las plantas supera significativamente el 10%, valor mínimo para las unidades de alta eficiencia según el Real Decreto 616/2007. Mientras que en modo trigeneración, este valor tan solo se supera en zonas climáticas con inviernos fríos. Igualmente, se observa la viabilidad de aprovechamiento de biomasa procedente de residuos agrícolas o forestales, fomentando la economía local y gestión sostenible. Zonas con fuerte sector agrario permiten precios de la biomasa que no superan los 8 €/MWht, mientras que, en zonas de montaña, basadas en economías forestales, el precio supera los 12 €/MWht.

The Organic Rankine Cycle (ORC) technology is commercially available for different applications and present all over the world. In Europe, there are more than 300 ORC cogeneration plants fueled by biomass with a large presence in Central Europe but scarce in Spain.

This Thesis assesses techno-economic feasibility of a biomass cogeneration plant based on an Organic Rankine Cycle, from local agricultural or forest residues, in rural populations of inland Spain with an existing district network.

In a first phase, it was analyzed the technical feasibility of the ORC comparing the primary energy saving and performance results in basic and regenerative ORC and subcritical and supercritical processes, and the economic feasibility according to plant size and operating hours. To carry it out, it was assessed the behavior of several commercial organic fluids in the different configurations to define the optimal cycle at full and partial load (extending operation hours).

Thermal demand estimation for proper plant sizing was carried out developing own methodology based on the guidelines by the Technical Building Code and documents published by the IDAE according to the climatic zones using degree-days and solar radiation values.

Availability and average price of local biomass, from agriculture and forest residues, around possible locations of the plants were assessed by BIORAISE GIS tool, as well as average costs including biomass collecting and transportation to the plant.

To complete the study, it was evaluated plant profitability in cogeneration mode (simultaneous production of heat and electricity) and in trigeneration mode (simultaneous production of heat, refrigeration and electricity) at full and partial load.

The results show that biomass cogeneration plants based on ORC from forest or agricultural residues are feasible in cogeneration mode, without subsidies or feed-in tariffs, in populations of more than 15,000 inhabitants in climatic zones with cold winters (high heating demand). In these locations, plant profitability exceeds 10%. Trigeneration mode, is only profitable in populations with hot summers (high refrigeration demand).

Regarding environmental indexes, in cogeneration mode, primary energy saving obtained values exceed significantly 10%, the minimum value for high efficiency units according to Royal Decree 616/2007. While in trigeneration mode, this value is only exceeded in climatic zones with cold winters.

Furthermore, it has been observed that the use of local biomass from agricultural or forest residues is feasible, promoting local economies and sustainable forest management. Regions with a strong agricultural sector allow biomass prices below 8 €/MWhth, while in mountainous regions, based on forest economies, biomass price is higher than 12 €/MWhth.